超声波检验V型坡口环焊缝根部缺陷

蒋桂通　闫留青　王猛　寇玉全　王胜来

摘要：超声波检验焊缝内的缺陷判定较为容易，而根部缺陷受组对情况和根部成型干扰，特别是对于单面焊双面成型的V型坡口环焊缝的根部缺陷判定，一直是超声波检验技术的难点。为解决这一问题，采用USM35超声波探伤仪和汕头超声5210*10A70斜探头，对模拟试件的根部进行试验研究，总结出超声波检验V型坡口环焊缝根部缺陷的规律，对仪器和探头进行精确校准的前提下，把实际生产中遇到的等厚对接焊缝、不等厚对接焊缝、大小口对接焊缝、错边因素考虑进去，然后对焊缝接头进行1：1作图，方能快速准确地对根部信号进行判定。

关键词：超声波检验;V型坡口;环焊缝;根部缺陷

中图分类号：TC441.7 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0278—04

0引言

海洋石油平台在建造过程中会使用大量的隔水套管、拉筋、钢桩等结构，单面焊双面成型的V型坡口环焊缝是导管架和组块建造拉筋和隔水套管接长焊接常见的焊缝型式。焊缝内部的缺陷很容易通过超声波检验来判定，而根部的缺陷判定对于超声波检验技术来说是比较困难的，因此有必要对V型坡口环焊缝的根部超声波检验进行深入研究。

多年来，无损检测专家对超声波检验焊缝做了大量试验与研究。郭伟灿等从薄壁对接焊缝角度进行分析;肖明洋和董子清等从厚壁对接焊缝角度进行阐述;孙宗泰等从钢管桩对接接头角度进行探讨;吴前驱等对自动焊的超声波检验技术进行了研究，但都是对焊缝内的缺陷包括根部缺陷进行研究，没有专门对根部缺陷进行探讨;白洪海对大口径焊口根部信号进行研究，但其管径尚未达到海洋工程钢结构范围;李树军等和赛鹏等只对根部未焊透这一种根部缺陷进行分析。

本文对导管架和组块中常用的卷管对接情况进行分类，考虑现场组队焊接与实验室的差距，对每种情况的模拟试件进行试验研究，对根部缺陷存在与否进行区分和总结规律，从而掌握超声波检验V型坡口环焊缝根部缺陷的要点。

1原理

单面焊双面成型的V型坡口环焊缝在进行超声波检验时，一般在管外部进行超声波检验，利用斜探头对焊缝内部和根部进行探伤，超声波仪器对超声波探头激发出超声波，超声波以一定的角度入射进入焊缝，当超声波遇到反射体时，会返回超声波信号，此反射体信号可能是缺陷，也可能是焊缝根部轮廓。当根部成型完好无缺陷时，超声波仪器显示屏只显示底波，当声波入射到根部缺陷时，仪器会接收到缺陷信号，并且缺陷信号的位置与底波有差异，例如根部焊趾存在裂纹，那么此裂纹信号的深度显示与板厚相等，在原来的底波之前，如图1所示。但实际超声波检验时，根部缺陷信号与底波很难区分，海洋工程钢结构超声波检验常用的超声波探头角度有0°、45°、60°和70°。0°探头主要测钢板厚度和夹层类缺陷;60°探头的端角反射率很低，主要用来测焊缝内部缺陷;45°探头和70°探头最适合检测根部缺陷。

2设备材料

仪器：USM35超声波检测仪;探头：汕超5210*10A70探头;试块：校准试块和模拟试件。仪器探头试件如图2所示。

研究对象：海洋石油平台卷管环焊缝管径主要集中在406～2674 mm，壁厚主要集中在13～80 mm;坡口型式主要为V型、单边V型和X型，根部有2～4 mm的间隙。V型坡口环焊缝是海洋石油平台卷管环焊缝中最为常见的一种焊缝，管径较小、壁厚相等时通常采用这种型式的坡口，壁厚不等时也可采取内过渡的方式。本文研究的是超声波检验V型坡口焊缝根部缺陷，因此选取最具代表性的3种规格6种组合作为研究对象进行研究。对以下6种焊缝分别进行有根部缺陷和无根部缺陷的测试对比分析。

（1）直径914 mm、壁厚38 mm的两根管对接，焊缝坡口型式为V型。在整圈环焊缝的检验过程中会遇到有错皮的情况和无错皮的情况。如图3所示。

（2）直径914 mm，一边是壁厚38 mm，一边是25 mm的两根管对接，焊缝坡口型式为V型，管内壁采取1：4斜坡过渡。在整圈环焊缝的检验过程中会遇到有错皮的情况和无错皮的情况。而错皮的情况又分两种，一种是左边低右边高;一种是左边高右边低。在超声波斜声束入射时，根部的反射情况是不一样的。如图4所示。

（3）直径914mm、壁厚25mm与直径762mm、壁厚25mm的两根大小管径对接，焊缝坡口型式为V型。不考虑错皮情况。如图5所示。

3方法步骤

采用斜探头自发自收模式对以上几种情况的焊缝进行超声波检验，试验数据如下。

（1）对直径914mm，壁厚38mm的两根管对接焊缝进行超声波检验时，无错边，不考虑根部成型不好的情况。

当根部无缺陷时，从左边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到右侧;从右边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到左侧。如图6（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示36mm，从右边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时也会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示36mm，说明焊缝根部左侧存在自身高度为2mm的未焊透。如图6（b）所示。

（2）对直径914mm、壁厚38mm的两根管對接焊缝进行超声波检验时，有3mm错边，不考虑根部成型不好的情况。

当根部无缺陷时，从左边探测，超声波入射到根部时，几乎全部能量反射到右边，而左侧探头无法接收到信号或信号很弱，也就没有波形显示或波形显示很低;从右边探测，当入射波遇到根部余高时，会接收到余高轮廓反射回来的能量，此时会有一个强烈的轮廓信号波，水平位置在焊缝中心线，深度在37mm，但并不是缺陷。如图7（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度39mm，因为有3mm的错边;从右边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度36mm，说明根部存在一个自身高度2一的未焊透缺陷。如图7（b）所示。

（3）直径914mm，一边是壁厚38mm，一边是25mm的两根管对接焊缝，无错边，不考虑根部成型不好的情况。

当根部无缺陷时，从左边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到右侧;从右边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到左侧。如图8（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示36mm，从右边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时也会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示36 mm，说明焊缝根部左侧存在自身高度为2mm的未焊透。如图8（b）所示。

（4）直径914mm，一边是壁厚38mm，一边是25mm的两根管对接焊缝，有3mm错边，不考虑根部成型不好的情况。

当根部无缺陷时，从右边探测，超声波入射到根部时，几乎全部能量反射到左边，而右侧探头无法接收到信号，也就没有波形显示;从左边探测，当入射波遇到根部余高时，会接收到余高轮廓反射回来的能量，此时会有一个强烈的轮廓信号波，水平位置在焊缝中心线，深度37mm，但并不是缺陷。如图9（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度33mm，因为有3mm的错边;从右边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度36mm，说明根部存在一个自身高度2mm的未焊透缺陷。如图9（b）所示。

（5）直径914mm，一边是壁厚38mm，一边是25mm的两根管对接焊缝，有3mm错边，不考虑根部成型不好的情况。

当根部无缺陷时，从左边探测，超声波入射到根部时，几乎全部能量反射到右边，而左侧探头无法接收到信号，也就没有波形显示;从右边探测，当入射波遇到根部余高时，会接收到余高轮廓反射回来的能量，此时会有一个强烈的轮廓信号波，水平位置在焊缝中心线，深度37mm，但并不是缺陷。如图10（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度39mm，因为有3 mm的错边;从右边探测，超声波入射遇到缺陷时，会有缺陷反射波，水平位置在焊缝中心线右侧，深度36mm，说明根部存在一个自身高度2 mm的未焊透缺陷。如图10（b）所示。

（6）直径914mm，壁厚25mm，另一边是直径762mm，壁厚25 mm的两根大小管径对接，不考虑错皮情况。

当根部无缺陷时，从左边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到右侧;从右边探测，超声波入射到根部时会有大部分能量反射到左侧。如图11（a）所示。

当根部有缺陷时，比如单侧未焊透，从左边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示23 mm，从右边探测，超声波入射到根部遇到缺陷时也会有明显的缺陷反射波被探头接收，水平位置显示在焊缝中心线左边，深度显示23 mm，说明焊缝根部左侧存在自身高度为2 mm的未焊透。如图11（b）所示。

4结束语

本文通过对比分析，发现超声波检验V型坡口焊缝的情況比较多，既有等厚度对接焊缝，又有不等厚度对接焊缝，还存在不同管径对接的情况，在整圈焊口的检测过程中，难免遇到错边的现象，对根部缺陷判断带来干扰。不管哪种情况，在检测时把特殊因素都考虑进去，对仪器和探头进行精确校准的前提下，对焊接接头进行1：1作图。首先用超声波判断出根部成型是否完好，判断是否存在根部成型缺陷，比如内凹、焊瘤、咬边等，再根据根部缺陷信号在水平方向和深度方向与超声波底波信号的差异，判断是否存在根部未熔合、未焊透、裂纹等缺陷。